Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Tối ưu lựa chọn cặp Anten trong hệ thống Mimo sử dụng mã Alamouti

Từ hạn chế trên, cùng với quá trình thương mại hóa công nghệ MIMO đặt ra yêu cầugiảm chi phí sản xuất, nhu cầu xây dựng một hệ thống có khả năng sử dụng những thếmạnh vốn có của hệ thống

Trang 1

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HO CHÍ MINHTRUONG DAI HOC BACH KHOA

PHAM CANH HUNG

TOI UU LUA CHON CAP ANTEN TRONG HE THONG MIMO

SU DUNG MA ALAMOUTIChuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 07 năm 2013

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa — DHQG-HCMCác bộ hướng dẫn khoa học: TS.Huỳnh Tường Nguyên

TS Hồ Văn KhươngCán bộ chấm nhận Xét Ì: -(-G- G5691 E9 938191 1E 911115811 5 11151 re

Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI DONG BO MON QUAN LÝ CHUYEN NGANH

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Cảnh Hưng MSHV: 11140019Ngày, thang, năm sinh: 07/08/1987 Noi sinh: Ha Tinh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270I TÊN DE TÀI: Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã

Alamouti

Il NHIEM VU VA NOI DUNG:

- Tim hiéu về kênh truyên vô tuyên, các tac động cua môi trường lên quá trình

truyền dẫn không dây, các mô hình kênh truyền pho biến.- Khao sát mô hình hệ thống MIMO, nghiên cứu những ưu điểm mà chúng mang

lại.

- Tim hiểu quá trình áp dụng mã khối không gian - thời gian trong quá trình mã hóakênh truyền

- Thực hiện việc tối ưu chọn lựa cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã

Alamouti, đưa ra các biểu thức BER cho hệ thống

- M6 phỏng, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hệ thống, kênh truyền đến chat

lượng hệ thống

V CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: TS Huỳnh Tường Nguyên

TS Hồ Văn Khương

Tp HCM, ngày tháng năm CÁN BỘ HUONG DÂN CHỦ NHIỆM BO MÔN TRƯỞNG KHOA(họ tên và chữ ký) (họ tên và chữ ký) (họ tên và chữ ký)

Trang 4

LOI CAM ONXin gửi đến TS Huynh Tường Nguyên và TS.H6 Van Khương lời cảm ơn chânthành, sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc vì đã hướng dẫn em đây chu đáo và nhiệt tình.Thay da dan dat, tao cho em cach tu duy va lam việc một cách khoa hoc, hướng đến cácđề tài khoa học mới mẽ và tiếp cận với các công nghệ hiện đại.

Em xin chân thành cảm ơn các thay cô trong khoa Điện — Điện tử - chuyên ngànhKỹ thuật Điện tử đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu

Con xin gửi đến cha mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, một chỗ dựa tinhthần vững chắc nhất của con Đồng thời xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cùng sát cánhbên tôi trong việc giải quyết các van dé nảy sinh khi nghiên cứu, giúp tôi có thé tiếp tục

hướng hướng nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Do kiến thức còn hạn chế và chưa trải nghiệm thực tế nhiều nên chắc chắn em cònnhững thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện để tài luận văn tối nghiệp này Em rấtmong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để giúp em hoàn thiện hơn kiến thức cũng

như vững bước trong quá trình làm việc sau này.Chân thành cảm ơn.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2013

Học Viên

Phạm Cảnh Hưng

Trang 5

In this report we investigate the error performance of the Alamouti scheme withtransmit antenna selection in MIMO systems The exact bit error rate (BER) is derivedfor binary phase-shift keying (BPSK) or Quadrature amplitude modulation(QAM) in flatRayleigh fading channels The analysis reveals that this scheme achieves a full diversityorder at high SNRs, as if all the transmit antennas were used Simulation results areprovided to substantiate the analysis It is shown that compared with conventional space-time block codes (STBCs), this scheme incurs much less SNR loss inherent to thetransmit-diversity system.

Therefore, the Alamouti scheme with transmit antenna selection provides a newoptimal approach to the design of MIMO systems for high-data-rate downlinktransmission with a high diversity order and high code rate, but only use a simplealgorithm, a compact hardwar

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo HVTH: Pham Canh Hung

su dung ma Alamouti

Trang 6

TÓM TAT LUẬN VĂN

Trong báo cáo này chúng ta nghiên cứu tỷ số lỗi của mã Alamouti áp dụng cho quátrình lựa chọn anten phát trong các hệ thống MIMO Tỷ lệ lỗi bit chính xác (BER) cóđược khi điều chế dịch pha nhị phân (BPSK) hoặc điều chế toàn phương (QAM) trongmôi trường fading Rayleigh phang Quá trình phân tích cho thay rang mô hình này đạtđược độ lợi phân tập đầy đủ với SNR cao, giống như khi tất cả ăng-ten phát được sử dụngđể truyền dữ liệu Kết quả mô phỏng được cung cấp nhằm chứng minh kết quả phân tíchphía trước đó Nó cho thấy rằng, so với mã khối không gian-thời gian thông thường(STBCs), mô hình này chỉ can dùng tỷ số SNR thấp hon trong hệ thống phân tập phát

Từ đó, áp dụng mã hóa Alamouti trong hệ thống lựa chọn ăng-ten phát cung cấp chota một phương pháp tối ưu mới trong việc thiết kế các hệ thống MIMO với đường truyềnxuống có tốc độ dữ liệu cao có độ lợi phân tập day đủ và ty số mã cao, nhưng chỉ sử dụngmột thuật toán đơn giản cùng với một phan cứng nhỏ gọn

Trang 7

LỜI CAM ĐOANLuận văn này là kết quả của quá trình nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, từcác bài báo khoa học khác và từ các Ebook về hệ thống MIMO - mã hóa Alamouti, từ các tư liệuđã đề cập trong phân tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận văn này là thành quảlao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn TS Huỳnh Tường Nguyênvà TS Hồ Văn Khương, các thay cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè Tác giả xin cam đoan luận

văn này hoàn toàn không sao chép bat kì một công trình nào đã có từ trước

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo HVTH: Pham Canh Hung

su dung ma Alamouti

Trang 8

MỤC LỤC0980090000055 i

ˆ\ Y0 (an iiTOM TAT LUẬN VĂIN 2-5-5 9E co g9 g0 990 xua iii

0900900279577 ).).).) iv

MỤC LUC cccssssssssssrrrrccccccccsssssscssssssscccccsssssssssssssssssssssscsessscsssssssssscsssssssssssssssssseees V.9);:8/10980:10)00025 — viii

DANH MỤC TU VIET TẮTT << < << S99 9989999 1s sex X®:10190)1051019)1059)00/90777 7 1

1.2 LY DO CHON 6251/10 ::‹+£1 21.3 MỤC DICH NGHIÊN CUU wiecsccccccscsssscssssesesscscsscsesesscscsusscsesscscsusscsesscscsesscsessssssesusscsesscseseacseeesseaes 21.4 NHUNG DONG GOP CUA DE TÀII 5-5-5222 22221921 1212121211 112111211111 111.1101111 11 1 Tre 21.5 PHAM VI NGHIÊN CUU CUA DE TÀI - ¿2E 252 SE S2E2E SE 1212212121111 211.212111 1111 31.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU - ¿6 5E S52 212192121915 2521921 112111121 1111111111111 1110111111111 Tre 3 50x; 000.0 31.6.2 (00:0) CŒPRNa HH 4:90199/e0590/.91829057 7 ::.‹+1 4

CHƯƠNG 2: KIÊN THỨC TONG QUAN -.55< 5 s<Sssscsessssesssseseesessesese 6

2.1 CÁC KY THUAT DIEU CHE - GIẢI DIEU CHE TÍN HIỆU SỐ 5255552 55555552 62.1.1 DIEU CHE TÍN HIỆU SỐ - 2-22 SES92221225 12192121235 1121111 2111110111111 0101 110101 72.1.2 PHƯƠNG PHAP DIEU CHE M-PSK - 52 S21 22123 12121212111 2101111121111 110111 y0 82.1.3 PHƯƠNG PHÁP DIEU CHE M-QAMM - - - - -EESE 9 9155 5 1 3 111 12111111111 1kg 102.1.2 GIẢI DIEU CHE o.ecccccccccscssssesesscsesscsesecscscsscscsccsssesssscssucseseessscsussesesscsescsusscseescscaesucseeeeseaeenees 12;»1:9:)):88:40445)01⁄495004722577 1 132.2.1 CÁC HIEN TUONG ANH HUONG DEN CHAT LƯỢNG KENH TRUYẼN 142.2.1.1 HIEU UNG DA DUONG (MULTIPART) ccccccccssssscssescessescsescssssssssssssescscscacscavacsvesenes 142.2.1.2 HIEU UNG DOPPLER eesescssesssscsssssssessssessssscscssssessssessesecscsussessssessssecscsucsessssessssesseeneess 152.2.1.3 SUY HAO TREN DUONG TRUYEN o.ccscscssssessssessssesesscsessssesccscsessscscssesesesessseesesesnees 172.2.1.4 HIEU UNG BONG RAM (SHADOWING )) cccccccccsccssssscsssescsesessssssssssssescscscacscatscscseenes 182.2.2 CÁC MO HINH THONG KE CUA KENH TRUYEN FADING ¿55555255552 18

Trang 9

2.2.2.1 RAY LEIGH FADING - - G Q00 nọ Họ 182.2.2.2 RICEAN EA DING ¿56-556 2219221921215 3215212112111 11111111111 1111 11.1111.1111 19

2.2.3 CÁC KỸ THUAT PHAN TẬP ¿5-5221 E921 1912121521 11211121211112111111111 2111111 re 212.2.3.1 PHAN TẬP THỜI GIAN - ¿2-5222 922 212192121231 112122121 2111121111111 210111111 212.2.3.2 PHAN TẬP TAN SỐ - - c1 212121 212111111212111121111 2101 11111111 111 111111 232.2.3.3 PHAN TAP KHÔNG GIAN 5-5222 SE 3 2121211 112122121 2111121111111 11111111 re 24;c5:¡szw0›(9))/68)//0/9 2275 ::‹:: 292.3.1 TONG QUAN MIMO 5-5-4 S5 1S 3 1 1 111 1110111101110 1501501011111 11011111 292.3.2 DUNG LƯỢNG HỆ THONG MIMO - 5252525229221 EE1EE 1212212121212 re 312.3.3 DO LỢI HỆ THONG MIMO 5-5222 2921 1212121111 11211111 1111111111111 110111111 rre 382.4 MA HOA KINH TRUYEN 0277 -1 422.4.1 MÃ KHOI KHONG GIAN - THỜI GIAN (STBC) u.cececccccscscsssscsesescsssesssscsescscscscscsvscseeneees 422.4.1.1 CÁC TIÊU CHUAN THIET K 226 S25 2S£SE£E9EEE‡EEEE£EEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrrred 432.4.1.2 MA HOA 0 ŸAÃ 52pc 00/0 552.4.2 SƠ DO MÃ HÓA ALAMMOUTT 5222229222191 121925 1212121 1111211111111 2111111 re 572.4.2.1 0.90 582.4.2.2 GIẢI MÃ ¿2c c1 2211152121211 212111 1111111111111 1101 1111111111111 1111011 602.4.2.3 SƠ ĐÔ ALAMOUTI MỞ RỘNG - 22 5-5-5222 S1 192221 21111212111 111111211111 re 61

CHƯƠNG 3: TÓI ƯU HÓA VIỆC CHỌN LỰA ANTEN TRONG HỆ THÓNG

MIMO SỬ DỤNG MÃ ALAMOUTT - 55< 5s Ss se SsssSsEssSEssSeEseseEsesses 64

3.1 LÝ DO LỰA CHỌN ANTEN ¿ - 525222 2E SE E 221 311211121111 11 1111111111111 1111111 643.2 MO HINH HE THONG VÀ KENH TRUY ẼN, 52522222 SE 32121921 21212121 21111211 .c1xe 64°Ec8x›/.0y(o:0i9 0:99 ::1 66

CHUONG 4: KET QUA MO PHONG 5- 5< s< se se cssSssSsessessessessssssse 76

4.1 BER CUA DIEU CHE M-PSK & M-QAM TREN KENH TRUYENREYLAIGH 764.2 TAC DONG CUA SO LƯỢNG ANTEN PHAT - PHAN TẬP PHÁT - 784.3 BER CUA HE THONG CHỌN LỰA ANTEN PHAT o.ceescsccscsssscsesssscssssesesscscescseseessscensseseenees 804.3.1 BER CUA HE THONG CHON LỰA ANTEN PHAT cccscscsscssssesesecsssesseseseescseessseseeseees 804.3.2 SO SANH KET QUA MÔ PHONG LỰA CHON ANTEN VOI LY THUYÉT 814.4 TÁC DONG CUA QUA TRINH LỰA CHỌN ANTEN PHÁT LEN ĐỘ PHAN TÁP 83

CHUONG 5: KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN CUA DE TÀI 86

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo " HVTH: Phạm Cảnh Hưng

sử dụng mã Alamouti

Trang 10

5.1 KẾT LUUẬN - Go 1S 101911111151 11111111101 01 011001111100 111110111101 0111101011100 111102 E0 865.2 HƯỚNG PHÁT TRIEN CUA DE TAL 6 SE E915 911v 9E 1 ve 86

TÀI LIEU THAM KH ÁO S- << << <4 4 << se 4 s92 88

LYLICH TRÍCH NGAANG 5- << << << 3E E93 EnExESeEsessseseressre 91

Trang 11

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cac mô hình anten được sử dụng để truyền đữ liệu -< -<<<<<<<<2 lHình 2.1.1: Sơ đồ mạch truyền tín hiỆu FOL LAC - -c Sc 131311111111 11 11155 1x s2 7Hình 2.1.2: Điều chế M-PSK + + th h1 9Hình 2.1.3: Giản đồ sao điều chế M-QALM ó1 19191211 5 518151511 E1 srsed 11Hình 2.1.4: Giản đồ tín hiệu QAM u.eececcccccccsessssesessssssecsesesscssscsecscsesssscseescsesssesscseseeecseseees IIHình 2.1.5: Nhận dạng quyết định cứng - + 2252 SE +E+ESE£E#EEEEEvErkrkerrrererrerered 12Hình 2.2.1: hiện tượng đa đường trong truyén tin vô tuyễn - ¿55c +cecs+xscscs¿ 14Hình 2.2.2: Hàm truyền đạt của kênh - + 2 256 E2 SE SE£E£EEEEEEEEEEEEE5 125112 xe l6Hình 2.2.3: Mật độ pho của tín hiệu thu + + + << << 303313111 111111 115 1111113 1x xe 17Hình 2.2.4: Mật độ xác suất của phân bố Rayleigh - 2 55552 ++x+Ezxcxerererreee 19Hình 2.2.5: Hàm phan bố xác suất của phân bố Ricean ccccccessssssessseseesesssesseseseseseseees 21

Hình 2.2.6: Phân tập theo thời Qian eee eeeessssecceccesssseeeeeceesssseeeeeseseesssaeeeeseessaas 22

Hình 2.2.7: Kỹ thuật phân tập theo tần SỐ ¿ ¿+ 5+ 25221 E232 E1 1121252121112 xe 23Hình 2.2.8: Sơ đồ hệ thống xứ lý trong phân tập tân sỐ ¿5-5 52 ccccsccecesrred 24

Hình 2.2.9 Các phương pháp phân tap <1 199990 ng ngư 24Hình 2.2.10: Phan tập cả phía phat và phía thu - - - << 11 1211111 9 933111 re 25Hình 2.2.11: Mô hình phân tập thu G0990 ng ke 26Hình 2.2.12: Đường BER phân tap thu với kênh flat fading - s«« «<< «+ 27

Hình 2.2.13: BER của BPSK trên kênh truyền fading Reylaigh sử dụng phân tập phát 28Hình 2.3.1: Sự phân tập tín hiệu truyên ¿-¿- + +52 SE +E+E£E£E£EEE£EvErkrkerrrererrerered 29Hình 2.3.2: So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thong MIMO & SISO 30Hình 2.3.3: Mô hình một hệ thống MIMO ¿- 5256225222 E2 EEEEEErEerrkrrrrerred 30Hình 2.3.4: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song - + 5 52s+5ess+sscscs2 33Hình 2.3.5: Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 35Hình 2.3.6: Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu - 35

Hình 2.3.7: Định ly Waterfilling - <5 c0 ng re 36

Hình 2.3.8: Phân phối công suất khi SNR cao ¿2-5-5252 2E 2E EvEerrerrerersred 36Hình 2.3.9: Phân phối công suất khi SNR thấp - 52525252 S22E+E£xztvErerrerrsred 37Hình 2.3.10: Mô hình biểu diễn độ lợi dẫy anf€n .- - << << «s1 ke 39

Hình 2.3.11: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR -Q TQ k, 39

Hình 2.3.12: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền -5- c2 5c: 40

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo " HVTH: Phạm Cảnh Hưng

Trang 12

Hình 2.4.1: Mô tả sơ đồ khối của bộ mã hóa mã khối không gian - thời gian 53Hình 2.4.2: Cau trúc ma trận phat ¿+ + + 2® +EE+EEEEE£E£E£E#EEEEEE£EEEEEE 1122 53

Hình 2.4.3: Mô hình ma hóa Alamouti ŠLBC - - - - Sư 58

Hình 2.4.4: So đồ khối của bộ mã hóa Alamout ccccccecesesseescscececcesscscecescesevscsceceeseees 58

Hình 2.4.5: Các symbols phát và thu trong mô hình Alamouti - - ««««+ 59

Hình 2.4.6: Tỷ lệ lỗi bit khi sử dụng điều chế BPSK trong kênh truyền fading 61Hình 2.4.7: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu - 2 5 s+s+cs+s+s+cscs2 62Hình 3.1: Mô hình hệ thống MIMO chọn lựa 2 anten phát - 555cc s+++* <3 65Hình 4.1: BER của hệ thống thay đổi theo loại điều chế PSK - 55-55: 77Hình 4.2: BER của hệ thống thay đối theo loại điều chế QAM - 2 2 2 sec: 77Hình 4.3: BER của hệ thống MISO với điều chế 16-QAM - ¿c2 252 sec 79Hình 4.4: BER trong hệ thống có chọn lựa 2 anten phát - - 2 2 s+s+ss+s+s+zscs2 80Hình 4.5: So sánh BER của kết quả mô phỏng với nghiên cứu lý thuyết - 82Hình 4.6: Biéu diễn BER so sánh giữa hệ thống có & không có lựa chọn anten phát 84

Trang 13

DANH MỤC TU VIET TAT

ADC Analog - Digital converterAM Amplitude ModulationAPK Amplitude - Phase KeyingASK Amplitude Shift KeyingAWGN_ Addition White Gauss NoiseBER Bit to error rat

BPSK _ Binary Phase SSTBC Space - Time Block CodeCGD coding gain distanceDMT Diversity-multiplexing tradeoffFM Frequency Modulation

FSK Frequency Shift KeyingGSM Global System Mobile

Trang 14

Chương 1: Tổng quan GVHD: TS Huỳnh Tường Nguyên

TS.Hô Văn Khương

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1MO DAUMIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, sửdụng nhiều antenna ở phía phát và nhiều anten ở phía thu nhằm mục đích tối ưu hóa tốc

độ truyện và nhận đữ liệu, đông thời giảm thiêu những lỗi như nhiêu sóng, mat tín hiệu.

Ngày nay, công nghệ MIMO đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực viễn thông bởi

những ưu điểm vốn có: tăng tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu Dựa trên các

kỹ tuật phân tập (phân tập không gian, phân tập thời gian, mã hóa ), các thiết bị MIMOđược trang bị nhiều anten và các giải thuật tách sóng, mã hóa phức tạp hơn so với hệthống SISO vẫn được sử dụng xưa nay Xem xét trong lĩnh vực thông tin di động, cácthiết bị cầm tay theo sự phát triển của công nghệ đủ khả năng giải quyết các giải thuậtphức tạp của MIMO, tuy nhiên kích thước của thiết bị di động không cho phép trang bịnhiều ăngten Ngoài ra, điều kiện địa hình cũng ảnh hưởng rất lớn trong thông tin diđộng Đặc biệt ở khu vực đô thị, các công trình xây dựng phát triển nhanh chống tạo ra

nhiêu che chăn can trở việc truyện dữ liệu.

Từ hạn chế trên, cùng với quá trình thương mại hóa công nghệ MIMO đặt ra yêu cầugiảm chi phí sản xuất, nhu cầu xây dựng một hệ thống có khả năng sử dụng những thếmạnh vốn có của hệ thống MIMO nhưng với số lượng ít anten, giải thuật đơn giản, giảm

giá thành sản phâm cho các nhà nghiên cứu công nghệ viên thông hiện nay.

Trang 15

1.2 LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀIDung lượng kênh truyền được tăng lên đáng kế khi sử dụng hệ thong MIMO, vì vậytrong thực tế hiện nay, hệ thong MIMO đã được phat trién va str dung ở nhiéu noi trénthế giới Tuy nhiên, nhiều anten đòi hỏi nhiều bộ xứ lý cao tần ( bộ khuếch dai, bộ loc,chuyển đổi ADC ), chúng sẽ làm cho hệ thống trở nên dat tiền, công kénh và phức tap.Một hướng nghiên cứu nhăm giảm giá thành và độ phức tạp của hệ thống mà vẫn khaithác được ưu điểm của MIMO chính là chọn lựa anten (antenna selection)

Phương pháp mã hóa không gian - thời gian được sử dụng trong các hệ thống phântập, đưa đồng thời tương quan cả miễn không gian và thời gian vào tín hiệu phát, kết hợpvới kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nham đạt được độ lợi phân tập cao Trong các sơ đồmã hóa không gian - thời gian, sơ đồ hệ thống của Alamouti đề xuất vào năm 1998 [1]được đánh giá là phương pháp hiệu quả nhất

Kết hợp tốt nhất sức mạnh của sơ đồ mã hóa của Alamouti đề xuất với việc lựa chọn

anten trong hệ thong MIMO chính là lý do chọn dé tài này : TOL UU LỰA CHON CAPANTEN TRONG HE THONG MIMO SỬ DỤNG MA ALAMOUTI

1.3 MUC DICH NGHIEN CUUKết qua của dé tài hướng đến việc xây dựng hệ thống gồm nhiều anten phát nhưngchỉ sử dụng 2 anten trong mỗi lần phát, vậy chỉ phải sử dụng 2 bộ xứ lý cao tần ở máyphát nhằm vừa giảm độ phức tạp của các giải thuật xứ lý, giảm số lượng chuỗi thiết bịcao tần cần sử dụng nhưng vẫn đảm bảo cho hệ thong dat được độ lợi phân tập day du -ty lệ hã hóa code rate cao nhất, dẫn tới việc giảm giá thành của hệ thống

1.4 NHUNG ĐÓNG GOP CUA DE TÀI

Đề tai tập trung nghiên cứu giải thuật lựa chon anten phát dựa trên các thông số kênhtruyền nhận được từ máy thu thông qua kênh hỏi tiếp Đồng thời, xác định ảnh hưởng của

các kỹ thuật điều chế tín hiệu lên BER của hệ thống Vấn dé về giải thuật lựa chọn antendựa vào mô hình mã hóa Alamouti đã từng được nghiên cứu [2] vì vậy ngoài việc từng

bức xây dung lại cong thức va kết quả đạt được của điều chế BPSK, để tài mở rộngnghiên cứu - xác định công thức tính BER cho toàn hệ thống khi áp dụng điều chế M-QAM vào quá trình phát tín hiệu Ngoài ra dé tài còn nghiên cứu tác động của các thôngsố khác lên chất lượng như: số lượng anten phát, mã hóa kênh, suy hao kênh truyền

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 2- HVTH: Phạm Cánh Hưng

Trang 16

TS.Hô Văn Khương1.5 PHAM VI NGHIEN CỨU CUA DE TÀI

Đối tượng để thực hiện nghiên cứu là hệ thống MIMO ( NxM ) được truyền trên kênhtruyền Rayleigh, tiêu chuẩn nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống trong đề tàinghiên cứu là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và tỉ lệ lỗi bit BER

- _ Mã hóa kênh truyền: mã khối không gian - thời gian (Space - Time Block Code

1.6 HUONG NGHIEN CUU

Quá trình nghiên cứu được chia làm hai giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết và mô phỏnghệ thống Kết quả của hai giai đoạn sẽ được so sánh với nhau nhăm đảm bao tính chínhxác, thực tế của dé tài Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn trực quan honvề ảnh hưởng của từng tham số lên chất lượng của toàn hệ thong như: số ăngten được sửdụng trên thiết bị, phương pháp điều chế, suy hao đường truyén

1.6.1 PHAN TICH

Dua vào các biéu thức toán hoc, kết quả đã có từ các bài báo khoa học liên quan, thựchiện quá trình biến đối nhằm tối ưu tối tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là lớn nhất / ty số lỗibits BER là nhỏ nhất Từ đó chọn ra được cặp anten phù hợp nhất ở cả máy phát

Từ mục tiêu để tiêu và phạm vi nghiên cứu, giai đoạn nghiên cứu lý thuyết được

chia thành Š bước:

Bước 1: Từ mô hình kênh truyền, đầu tiên ta tìm hiểu hai kiểu điều chế (PSK vàQAM) dé từ đó tìm mối liên hệ giữa xác suất lỗi bit BER với từng loại điều chế Day làbước tiền dé dé tính BER của toàn hệ thống

Bước 2: Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO để từ đó chỉ ranhững ưu điểm vượt trội khi sử dụng MIMO trong quá trình truyền nhận dữ liệu

Bước 3: Tìm hiểu những ảnh hưởng của kênh truyền tác động lên hệ thống viễn

Trang 17

thông Từ đó tìm hiểu mô hình kênh truyền Rayleigh, những ảnh tác động của kênh

Rayleigh lên tín hiệu.

Bước 4: Tìm hiểu về mã hóa kênh truyền, cách xây dựng một mã khối không gian

-thời gian.Bước 2: Từ mô hình hệ thống, phân tích ty lệ lỗi bit BER của một hệ thống lựa chọn

anten đây đủ.1.6.2 MÔ PHONG

Giai đoạn mô phỏng được thực hiện trên Matlab với mục tiêu của giai đoạn nay là mô

phỏng BER của hệ thông ứng với các thông số của hệ thống Đầu tiên, tạo một chuỗi kýtự được điều chế ngẫu nhiên (PSK hoặc QAM), sau đó chuỗi tin được điều chế sẽ đượcmô phỏng truyền trên kênh truyền Rayleigh Tùy từng chế độ truyền, kỹ thuặt điều chế vasố lượng anten ở thiết bị phát Tín hiệu ở bộ thu được khôi phục lại và đem so sánh vớitín hiệu gốc ở bộ phát để kiểm tra số ký tự lỗi và thực hiện tính BER Bên cạnh đó, trongchương trình còn đảm bao công suất tín hiệu phát là như nhau trong khi thay đối cácthông số thông hệ thống nhằm so sánh tính hiệu quả của các thông số một cách công bằng

hơn.

1.7 BÓ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn được chia thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan Chương này nêu các van dé tổng quan của dé tài, cho ngườiđọc cái nhìn day du va khai quat cac van đề thực hiện bên trong luận văn

Chương 2: Kiến thức tổng quan Thực hiện nghiên cứu các kiến thức nên tảng cần có,liên quan trực tiếp đến mô hình hệ thống sử dụng để nghiên cứu đề tài Dựa vào mô hìnhhệ thống sử dụng trong quá trình thực hiện dé tài, chương 2 nghiên cứu 4 van dé riêng

biệt:

1 Các kỹ thuật điều chế tín hiệu.2 Kênh truyền vô tuyến

3 Hệ thống MIMO.4 Mã hóa kênh truyền

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo - 4- HVTH: Pham Canh Hung

su dung ma Alamouti

Trang 18

Chương 3: Tối ưu hóa việc lựa chọn anten trong hệ thống MIMO sử dụng mãAlamouti Là quá trình xây dựng công thức lý thuyết xác định tỷ lệ lỗi bit BER của hệthống

Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả đạt được từ việc môphỏng hệ thống bằng chương trình matlab, đồng thời đưa ra các nhận xét — giải thích chokết quả vừa nhận được

Chương 35: Kết luận và hướng nghiên cứu Đánh giá kết quả nhận được so với mụctiêu dé ra ban dau, đồng thời gợi mở lên các hướng nghiên cứu từ kết qua của luận văn

này.

Trang 19

Chương 2: Kiến thức tổng quan GVHD: TS Huỳnh Tường Nguyên

CHƯƠNG 2: KIÊN THỨC TONG QUAN

2.1 CÁC KỸ THUẬT DIEU CHE - GIẢI DIEU CHE TÍN HIỆU SOĐiều chế là quá trình chuyển đổi pho tan của tín hiệu cần truyền đến một vùng phốtần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi Mục đíchcủa việc làm này là chọn một phô tan thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tan sốsóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiễu tín hiệu có cùng phố tần trên các kênh

truyền khác nhau của cùng một đường truyén.

Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổimột vài thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha ) Tùy theo thông số đượcthay đối mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế

tần s6(FM), diéu ché pha (DM), diéu ché xung (PM), điều chế biên độ - pha (QAM)

Khác với công nghệ tương ty, phương pháp điều chế tín hiệu số cho phép M tín hiệu

S¡(, So(t), , S(t) được gửi vào cùng một khoảng thời gian của chu ky ky tự (symbol)

T,, với M = 2°, n là số nguyên, T, = n.T§, T, là chu kỳ của bit Các tín hiệu được điều chếbang cách thay đổi biên độ, pha hay tan số của sóng mang trong M bước rời rac Do vậy,các phương pháp điều chế số thường được ký hiệu M-aray ASK (Amplitude Shift

Keying), M-aray PSK (Phase Shift Keying), M-aray FSK (Frequency Shift Keying ) haycòn gọi la M-ASK, M-PSK, M-FSK.

Tín hiệu M-aray còn có thé dat được bang cách kết hop các phương pháp điều chếkhác nhau thành một dạng điều chế lai Ví dụ: kết hợp việc thay đối rời rac cả về pha vàbiên độ của sóng mang để tạo ra tín hiệu khóa dịch pha biên độ M-aray APK Dạng đặcbiệt của loại điều chế lai này được gọi là M-QAM

Các kiểu điều chế M-aray nêu trên được sử dụng để điều chế tín hiệu nhị phân vớimục đích truyền dẫn tín hiệu số trong các kênh thông tin Trên thực tế, các kênh thông tinít khi có độ rộng băng tan băng đúng như bé rộng dải phố của nguồn tín hiệu nhị phân.Do vậy, khi độ rộng băng tần của kênh nhỏ hơn so với yêu cầu, cần điều chế tín hiệu sốtheo phương pháp M-aray dé thu hep dải thông

Tùy thuộc giá trị M, các phương thức điều chế khác nhau đòi hỏi bề rộng băng tầnkhác nhau để truyền cùng một chuỗi bit thông tin Ví dụ: nếu truyền băng phương pháp

su dung ma Alamouti

Trang 20

điều chế BPSK (n=1,M=2 ), độ rộng băng tần cần thiết sẽ ty lệ nghịch với giá tri Tp.Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp điều chế với n = 2, 3, 4, chu ky của một symbol

nA x ` ` <A r re 1 +À ` 2 ~ A 2T, =n.Ty Độ rộng băng tân cân thiệt tương ứng với _ Điêu này có nghĩa: nêu sử dụng

Trang 21

TS.Hô Văn KhươngDirac sẽ băng các mâu x(nT) cua tín hiệu x(t) tại các điêm nT Phô của tín hiệu rời rac là

pho lặp tuần hồn của X(Q) và bằng:

Y 44 (@) = = [x(o) *Y(Ø)| (2.1.2)27

Tin hiệu roi rac được truyền từ noi nhận tin và được giải điêu chê nhờ mach lọc thông

thấp có đặc tính lý tưởng.Ở đầu ra của mạch lọc thông thấp sẽ nhận được tín hiệu x(t) có phố X(@)

X (@) = Hy (@)x H(@) (2.1.3)Hệ thống rời rạc lý tưởng vừa xét trên đây không thể thực hiện trong thực tế, dokhông thé tạo được dãy xung Dirac có độ rộng bang không và không thé có mạch locthông thấp có đặc tuyến tần số lý tưởng Sóng mang trong thực tế là dãy xung vuông góc.Tín hiệu PAM được tạo ra do quá trình rời rạc tín hiệu tin tức có pho không xác định.Trong pho tín hiệu PAM, thành phan tần số thấp và một chiều chiếm đa số, đó là thànhphan không có lợi cho việc truyền đi xa Để thực hiện điều nay người ta thực hiện điềuchế PAM một lần nữa trong hệ thống điều chế liên tục AM Cách điều chế này cho ta tínhiệu PAM-AM hoặc PAM-FM Phổ tín hiệu sẽ được dịch lên miền tần số cao hơn

2.1.2 PHƯƠNG PHAP DIEU CHE M-PSKĐối với phương pháp điều chế M-PSK, pha của sóng mang có thé bang bat kỳ giá trịnào trong số M giá tri Ø= 2(i — DĐ với 1= l,2, ,M Trong chu ky symbol T,, luôn tồntại một trong số M tín hiệu Gọi E là năng lượng symbol, ƒ, = = là tần số sóng mang, n,là một số nguyên nao đó

Tín hiệu M-PSK được biểu thị bang:

2E 27S,(t) =,|— cos(2Z T M (2.1 4)f.t +——( - Ì)) 2.1.4

Khai trién phương trình trên ta có:

su dung ma Alamouti

Trang 22

2E 20 27

Do vay, vi tri cua cac diém thông tin được xác định boi toa độ cos( = (i—1)) trên trục

~ 20 ^Iva sin(- (i—1))trén trục Q.

Hình 2.1.2 chỉ ra ba chòm sao của điều chế M-PSK sử dung cả sóng mang đồng pha

P - ert (2.1.8)

2 7

Trang 23

Trong đó, E,/n là tỷ SỐ năng lượng bit so với mật độ nhiều (tính bang dB) Theo côngthuc (2.1.8) khi E,/n tang thi xac suất thu sai P, giam nhanh

Xác xuất thu sai của điều chế QPSK: Giả sử sóng mang QPSK dùng một năng lượngEs = PsTs = 2C¡Ty để truyền một ký hiệu Do đó, năng lượng để truyền mỗi bit là Ey =

2.1.3 PHƯƠNG PHÁP DIEU CHE M-QAMKhác với M-PSK, trong phương pháp điều chế M-QAM tín hiệu được điều chế cả

(2.1.11)

@Œ)= = sin(2n ft) 0</<T

Trang 24

Vị trí điểm thông tin thứ i trên đồ thi pha biên độ, có 2 trục là I và Q được xác định

bởi gi trị a,,/E, V b,JE, , trong đó (a;, b;) được xác định theo dạng ma trận vuông L-L:

(-L+1,L-1) (CL+3,L-I) (L=1,L-1) |

(a,b) = (-L+1,L-3) (-L+3,L-3) (L-1,L-3) 'L=JM_ (2.1.12)

(-L+1,L+1) (-L+3,L+1) (L-1,L +1) |

QPSK 8-QAM 16-QAMQ Q Q

° ° | © © e | © © e © |

-1 0 1 3 -101 3 3 -1 01 3

(a) (b) (c)

Hình 2.1.3: Giản đồ sao điều chế M-QAM

Gan nhãn các diém thuộc chùm sao: Gan nhãn một mau bit cho tat cả các diém Lược

đồ gán nhãn có ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thong do đó cần phải gan nhãn tối ưu

(a) (b)

Hình 2.1.4: Giản đồ tín hiệu QAMHình 2.1.4 chỉ ra hai cách phố biến để gán nhãn mẫu bit cho các điểm chùm sao: hình

2.1.4(a) là cach gan nhãn theo trật tự tự nhiên và hình 2.1 4(b) là gan nhãn Gray Gan

nhãn tự nhiên tức là ta gán nhãn cho các label sử dụng con số thập phân từ 0 - 15 từ phảiqua trái, từ trên xuống dưới Bat lợi của gán nhãn này là sự tương quan giữa các bit trong

một symbol Ví dụ, giả sử một lỗi khi điểm số duoc truyền, nhưng ta nhận được 2 Kiểu

Trang 25

lỗi xảy ra giữa các điểm cạnh nhau thường rất phố biến khi giải điều chế Bây giờ ta xemcách biểu diễn điểm 1 (0001) và 2 (0010), do đó khi hai bit cuối bị thay đổi thì giải điềuchế dẫn tới sai M hỗ Gray hạn chế tat cả những lỗi sai 2 bit kiểu này giữa hai điểm cạnhnhau bất kỳ, chính vì vậy giảm tỷ lệ lỗi sai Ta nhận thấy rằng, giữa hai điểm lân cậnnhau bat kỳ thì chỉ sai khác nhau có 1 bit Do đó khoảng cách Hamming bé nhất sẽ là 1khi đó giảm tỷ lệ giải điều chế sai Tất cả các chùm sao trong chuẩn IEEE 802.11a vàHiperlan/2 đều sử dụng mã Gray

2.1.2 GIẢI DIEU CHE2.1.2.1 NHAN DẠNG QUYET ĐỊNH CỨNG

Giải điêu chê quyêt định cứng chỉ xác định xem liệu bit 1 hay bit 0 được truyền, dođó dau ra của bộ giải điêu chê là day 0 va 1 Giải điều chê quyét định cứng dựa trên sô bịtđầu vào của bộ điêu chê, nêu sô bit dau vào của bộ điêu chê băng sô bit đầu ra của bộ giảiđiêu chê thì ta nói giải điêu chê là cứng.

Right bit decisionboundary

Hình 2.1.5: Nhận dạng quyết định cứngHình 2.1.5 chỉ ra các biên quyết định cho chùm sao QPSK Các biên quyết định xác

định xem các symbol thu được ánh xạ lại bit như thế nào Ví dụ quyết định Maximum

Likelihood là điểm chùm sao nào mà nó gan nhất với symbol thu được, các bit đầu ratương ứng với các bịt chòm sao đó Vi dụ trong hình 2.1.5 trên, x đánh dấu vị trí củasymbol thu được, nó gần nhất với chòm sao trên trục I dương Do đó bit thu được 1 00

Trang 26

2.1.2.2 NHAN DẠNG QUYET ĐỊNH MEMGiải điều chế quyết định mềm cho ra các bit “soft”, đó là do ngoài thông tin quyếtđịnh bit 0 hay 1, nó còn kèm theo thông tin dư thừa về độ tin cậy của quyết định đó.Thông tin thêm có thé cải thiện chất lượng của lược đồ mã hóa kênh truyền Dé thực hiệnquyết định mềm, bộ giải điều chế phải xem xét từng bit riêng biệt Vẫn giả sử như trên,điểm x rất gần với biên của 00 và 01 Rõ ràng bit bên trái là tương đối tin cậy vì nó namrất xa biên với các điểm mà có bit bên trái bằng 1 Mặt khác, bit bên phải thay đối từ 0

sang |, cho nên bịt bên phải có độ tin cậy thấp Việc thực hiện quyết định từng bịt sẽ sửdụng LLRs (Log-Likehood Ratios).

2.2 KENH TRUYEN VO TUYENChat lượng của các hệ thông thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, noi mà tinhiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài máyphát và máy thu thì kinh truyền là một khâu quan trong, và có cau trúc tương đối phứctạp Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Chính vì vậy mà kinhtruyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệ thong thông tin Không giống như kinhtruyền hữu tuyến là ôn định và có thé dự đoán được, kinh truyền vô tuyến là hoàn toànngẫu nhiên và không hề dễ dang trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kinhtruyền vô tuyến, bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây céi , bị phan xa, tan xa, nhiéuxạ , các hiện tượng nay được gọi chung la fading Va kết quả là ở máy thu, ta thu đượcrất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng củahệ thống thông tin vô tuyến Vì vay, dé hạn chế ảnh hưởng xấu của kinh truyền vô tuyến,thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu được các đặc tính của kinh truyềnvô và mô hình hóa kinh truyền hợp lý

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thong di dong:+ Phản xa xảy ra khi sóng điện từ va cham vào một mặt băng phăng với kích thướcrất lớn so với bước sóng tín hiệu RE

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bi cản trở bởi một

nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiéu xa là hiện tượng

giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu màkhông cần đường truyền thăng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì

Trang 27

trường tán xạ có thé đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thé truyền

xuyên qua.

+ Tán xạ xây ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phăng lớn, g6 ghé làm chonăng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thànhphố, các vật thé thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

2.2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ANH HUONG DEN CHAT LƯỢNG KENH TRUYEN

2.2.1.1 HIEU UNG DA DUONG (MULTIPART)Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xa điện từ thường không đượctruyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thuluôn tổn tại các vật thế cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính làsự chong chập của các thành phan sóng phán xạ , khúc xa, tán xạ từ các vật chăn như cáctòa nhà, cây cối Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath

propagation) hay còn gọi là hiện tượng fading.

Tram di đông

Kết quả tín hiệu tại anten thu là tổng hợp của các tín hiệu này, nếu các tín hiệu nàyđồng pha thì cường độ tín hiệu được tăng cường, ngược lại chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau

làm cường độ tín hiệu tại anten thu giảm nghiêm trọng (ngang mức nhiễu)

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại:Fading tam rộng (large-scale fading) và fading tam hẹp (small-scale fading)

Fading tam rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy haokênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởisự cao lên của địa hình (đôi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu

Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thông mimo -14- HVTH: Phạm Cánh Hưng

Trang 28

Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fadingtầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tam hẹp diễn ta sự thay đối đáng kế ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ralà do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phátvà phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín

hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng

dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía pht và phíathu dẫn đến sự thay đôi đường truyền sóng

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thong vô tuyến mặt đất như:e Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngăn

e Su hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mua, tuyết, sương mù sự hấp thunày phụ thuôc vào dải tần số, đặc biệt là dai tần cao (>10Ghz)

e Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí.e Su phan xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự

phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyền Đây cũng là một yếu tố dẫn đếnsự truyền lan đa đường

e Su phản xạ, tan xạ và nhiều xạ từ các chướng ngại trên đường truyên lan sóng điệntừ, gây nên hiện tượng trải trê và giao thoa sóng tại điêm thu do tín hiệu nhận đượclà tông của rat nhiêu tín hiệu truyện theo nhiêu đường Hiện tượng này đặc biệtquan trọng trong thông tin di động.

2.2.1.2 HIỆU ỨNG DOPPLERDo sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu, mỗi sóng mang bị dịch di mộtlượng tần số Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển tương ứng đó được gọi là hiệuứng Doppler (đặt tên theo Christian Andreas Doppler) Tan số sẽ tăng lên khi máy phátvà máy thu tiễn lại gan nhau va sé giam néu ngược lại Hiệu ứng nay ti lệ với tốc độtương đối của thiết bị Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được tính như sau:

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là ø„ khi đó tầnsố Doppler của tuyến này là :

Trang 29

GVHD: TS Huỳnh Tường NguyênChương 2: Kiến thức tổng quan

fy = ~f,cos(a, (2.2.1)Trong đó fo, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển độngtương đối của máy thu so với máy phat và vận tốc ánh sáng Nếu ơ„= 0 thì tần số Doppler

diễn như sau[ 5]: _ A

[2] Nếu to — Sd max Sf S fot So max

Trang 30

2.2.1.3 SUY HAO TREN ĐƯỜNG TRUYENSuy hao là một tác động của môi trường truyén tới việc truyén tín hiệu Cường độ củatín hiệu trên bat cứ một môi trường truyền nào déu bị suy giảm theo khoảng cách Tinhiệu suy giảm sẽ tác động đến các yếu tổ sau :

e Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn dé máy thu có thé phát hiện và khôi phục tín hiệu.e Tin hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thé phát hiện và khôi

phục không bị sai lỗi

e Độ suy giảm thường là một ham tăng theo tan só.e Để phat tín hiệu đi xa thì người ta sẽ sử dụng các bộ khuếch dai tín hiệu và chuyển

tiếp, với tần số càng cao thì suy hao càng lớn do đó các bộ khuếch đại càng phải gần

lại nhau.

Trang 31

2.2.1.4 HIEU UNG BONG RAM (SHADOWING)

Do anh hưởng của các vat can trở trên đường truyền, ví dụ như các toa nhà cao tang,các ngọn núi, đôi., làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chixảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tôc độ biên đôi chậm Vì vậy, hiệu ứng này cònđược gọi là fading chậm.

2.2.2 CAC MÔ HÌNH THONG KE CUA KENH TRUYEN FADING

2.2.2.1 RAYLEIGH FADING

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng dé mô tảbản chat thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phang thu được hoặcđường bao của một thành phan đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổnghai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàmmật độ xác suất:

Và phương sai ø,ˆ (công suất thành phan ac của đường bao tín hiệu):

Trang 32

ø,` =E|rˆ|Ƒ E°Ir|=[r?pữ)dr-ø! 2 = øÍ2z- 4 =0.429207 (2217)

0

Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2ø (căn bậc hai của giá trị trung bình bình

phương) Gia tri median của r tìm được khi giải phương trình:

Hình 2.2.4: Mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vi vậy gi tri mean và median chỉ khác nhau một lượng là 0.55dB trong trường hợp tín

hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữliệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thểchấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Băng cách sử dụng giá trị median thayvì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trịtrung bình khác nhau) Hình 2.2.4 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

2.2.2.2 RICEAN FADING

Trong trường hop fading Rayleigh, không có thành phan tín hiệu đến trực tiếp máythu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phan light-of-sight) với công suất vượt trội.Khi có thành phan nay, phân b6 sé là Ricean Trong trường hợp này, các thành phan đađường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thànhphan DC vào các thành phan đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng

Trang 33

sin trong Khi bị nhiều nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội)đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bốRicean rõ rệt hơn Khi thành phan light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tong hợp trông giốngnhư nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố trở thành phân bốRayleigh trong trường hợp thành phan light-of-sight mat đi

Hàm mật độ phân bô xác suât của phân bô Ricean:

lo: La hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữacông suất tín hiệu xác định (thành phan light-of-sight) và công suất các thành phan da

đường:

(2.2.10)

„ 2

Hay việt dưới dangdB: k(dB) = 10log A= dB

k xác định phân bố Ricean va được gọi là hệ số Ricean.Khi A —0,k —> 0(—œđB) thành phan light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bốRicean trở thành phân bố Rayleigh Hình 2.2.5 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố

Ricean.

Trang 34

Hình 2.2.5: Hàm phân bố xác suất của phân bố Ricean

2.2.3 CÁC KY THUAT PHAN TAP

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dungrộng rãi để giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫnmà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa trêncác mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cảcác sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về fading thống kê là rấtnhỏ Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệuđược đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của fading là độc lập với nhau có nghĩa làtrong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiêu, trong khi các mẫu khác bị ảnhhưởng ít hơn Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đông thời chịu ảnh hưởng củafading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập bịnăm dưới mức đó Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽdẫn tới giảm ảnh hưởng của fading va do đó tăng độ tin cậy của việc truyền tín hiệu Mộtsố phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương

ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành

phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian.2.2.3.1 PHẦN TẬP THỜI GIAN

Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách phát nhiều bản tin giống nhau tại cáckhe thời gian khác nhau, do đó bộ thu được các tín hiệu không tương quan về fading.Khoảng thời gian phân cách giữa lần phát là phải lớn hơn thời gian kết hợp của kênhtruyền để đảm bảo các fading xảy ra với tín hiệu trong khoảng thời gian này sẽ không

Trang 35

tương quan với nhau Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng các bộ cài xen(Interleaver) có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể, không chấp nhậnđược đối với các ứng dụng nhạy với trễ như kênh thoại

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ sosánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất

Hinh 2.2.6: Phan tap theo thoi gian

Từ hình vẽ ta thay rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ xen kênh,nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chi mat một ký tự và ta có thé phục hôi lại từ 3 ký tự

ít bị ảnh hưởng bởi fading

Khoảng cách thời gian yêu cau ít nhất bang nghịch đảo của tốc độ fading = = vA

d Jc

Mã điều khiến lỗi thường được sử dung trong hệ thống truyền thông dé cung cấp độ lợimã (coding gain) Trong truyền thông di động mã điều khiến lỗi kết hợp với xen kênh để

đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát

đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miễn thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiênbản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh dé thu được fading độc lập ở

ngõ vào bộ giải ma Vi tôn thời gian cho bộ xen kênh dân đên trì hoãn việc giải mã, kỹ

Trang 36

thuật nay thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh Đối với kênh truyền fading

chậm nêu xen kênh quá nhiêu thì có thê dân đên trì hoãn đáng kê.

Một nhược điểm của phân tập thời gian là sử dụng băng thông không hiệu quả do sựdư thừa nhiều dữ liệu trong miễn thời gian

2.2.3.2 PHAN TAP TAN SOTrong phân tập tan số, sử dung các thành phan tan số khác nhau dé phát cùng mộtthông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cáchđộc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn để đảm bảo rằng fading trên các tần sốkhác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản củatín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miễn tần số cònđược gọi là trải phố, ví dụ như trải pho trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹthuật trải pho rất hiệu quả khi băng thông của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băngthông của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phố, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳcủa tín hiệu Trong trường hop này, trải phố là không hiệu qua để cung cấp phân tập tansố Phân tập tân số gây ra sự tốn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thôngtin trong cùng băng tan so

không chịu ảnh hưởng của fading.

Trang 37

không tương quan Trong phân tập không gian, các bản sao của các tín hiệu phát được sử

dụng để đưa tới các bộ thu ở dang dự trữ trong miền không gian, không giống như trongphân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không gây ra bất kỳ sự suy

Trang 38

giảm hiệu quả băng thông Đặc điểm này rất hấp dẫn đối với các thông tin vô tuyến tốc

độ dữ liệu cao trong tương lai.

Transmit [— Wad / | Receive

`

Antenna a TP v‹ Antenna

Asray Aes Array

Hinh 2.2.10: Phan tap ca phia phat va phia thu

Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu, ta phân loại phân tập khônggian thành phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập phát, nhiều anten được triểnkhai ở máy phát, tin được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.Còn trong phân tập thu thì nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độclập của tín hiệu phát Các bản sao này được kết hop dé tăng tỉ số SNR và giảm fading đađường Hiện nay, phân tập phát và thu được kết hợp để nâng cao hơn nữa hiệu năng củahệ thống

Trong các hệ thống thông tin di động tổ ong, nhiều anten thu được sử dụng cho cáctrạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh và giảm thiêu ảnh hưởng củafading, ví dụ, trong GSM, nhiều anten được sử dụng tại trạm thu phát cơ sở để tạo raphân tập thu đường lên (từ các trạm di động lên BTS) dé bù đắp cho công suất truyềntương đối thấp từ các trạm di động Điều này cải thiện chất lượng và độ rộng của đườnglên Nhưng đối với đường xuống (từ trạm thu phát cơ sở đến các trạm di động) thì rất khókhăn dé thực hiện việc phân tập thu tại các trạm đầu cuối di động Thứ nhất là rất khókhăn để thiết kế lớn hơn hai anten trên một máy di động cầm tay có kích thước nhỏ, thứhai là nhiều anten thu có nghĩa là sẽ có nhiều bộ biến đổi tần số - RF và như vậy có nghĩa

là sẽ có nhiêu nguồn xử lý, những nguôn này hạn chê trong các dau cuôi di động.

Trang 39

Receiver

Transmitter

Hinh 2.2.11: M6 hinh phan tap thu

Đối với đường xuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc tới phân tập phát Sẽ dédàng lắp đặt nhiều antenna phát trên trạm thu phát và cũng dễ dàng sử dụng các nguồnngoài cho nhiều antenna phát Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộthu và kết quả là các cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hon và chi phíthấp hơn Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượngcủa hệ thống

Ngược lại với phân tập thu mà chúng ta dang sử dụng rộng rãi trong các hệ thông diđộng tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việc thực hiện phân tậpanten phát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việc khai thác phân tập phát

cũng có những khó khăn:

e Thứ nhất, vì các tín hiệu phát từ nhiều anten sẽ được trộn với nhau về mặt khônggian trước khi tới được các bộ thu, hệ thông yêu cầu bố sung thêm một số bộ xử lý tínhiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu và lợi dụng được phân tập

° Thứ hai, phía thu thường ước lượng được các kênh fading còn phía phát thì không

giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếu như không cóthông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát [28]

Trang 40

BER for BPSK modulation in ^1A/GM with receive diversity

T 1 T T T T I

mm IEE "Tanaka mai

s{ l= nRx=2 Theory E

“|—e—nRx=2 Sim A‘| ———— nRx=3 Theory |1: | —*— nRx=3 Sim-23:] —=— nRx=4 Theory R

Hình 2.2.12: Duong BER phân tap thu với kênh flat fading

Hinh 2.2.10: biéu dién ty lệ lỗi bit BER của phan tập thu dựa vào Eb/NO với số antenthu ne khác nhau Đường trên cùng biếu diễn tỷ lệ lỗi bit trong trường hợp chi sử dụng 1anten thu, còn đường ở dưới cùng cho ta biết tỷ lệ lỗi khi dùng đồng thời 4 anten để thutín hiệu Càng tăng số lượng anten ở phía thu thì tỷ số lỗi bit BER càng giảm, hay chấtlượng kênh truyền càng được cải thiện

Tiêu đề	Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti
Tác giả	Phạm Cảnh Hưng
Người hướng dẫn	TS. Huỳnh Tường Nguyên, TS. Hồ Văn Khương
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	14,69 MB